सिलिकॉन कार्बाइड आयन इम्प्लांटेशन आणि एनीलिंग प्रक्रियेचा परिचय

सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर उपकरणांच्या डोपिंग प्रक्रियेत, सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या डोपंट्समध्ये एन-टाइप डोपिंगसाठी नायट्रोजन आणि फॉस्फरस आणि पी-टाइप डोपिंगसाठी ॲल्युमिनियम आणि बोरॉन यांचा समावेश होतो, त्यांची आयनीकरण ऊर्जा आणि विद्राव्यता मर्यादा तक्ता 1 मध्ये सादर केल्या आहेत (टीप: षटकोनी (एच). ) आणि घन (के)).

▲सारणी 1. SiC मधील प्रमुख डोपेंट्सची आयनीकरण ऊर्जा आणि विद्राव्यता मर्यादा

आकृती 1 SiC आणि Si मधील प्रमुख डोपेंट्सचे तापमान-आधारित प्रसार गुणांक स्पष्ट करते. सिलिकॉनमधील डोपंट्स उच्च प्रसार गुणांक प्रदर्शित करतात, ज्यामुळे उच्च-तापमान प्रसार डोपिंग 1300°C च्या आसपास होते. याउलट, सिलिकॉन कार्बाइडमधील फॉस्फरस, ॲल्युमिनियम, बोरॉन आणि नायट्रोजनचे प्रसार गुणांक लक्षणीयरीत्या कमी आहेत, वाजवी प्रसार दरांसाठी 2000°C पेक्षा जास्त तापमान आवश्यक आहे. उच्च-तापमान प्रसरण विविध समस्यांचा परिचय देते, जसे की बहुविध प्रसार दोष विद्युत कार्यक्षमतेत घट करतात आणि मुखवटे म्हणून सामान्य फोटोरेसिस्टची विसंगतता, सिलिकॉन कार्बाइड डोपिंगसाठी आयन रोपण ही एकमेव निवड बनवते.

▲आकृती 1. SiC आणि Si मधील प्रमुख डोपेंट्सचे तुलनात्मक प्रसार स्थिरांक

आयन इम्प्लांटेशन दरम्यान, सब्सट्रेटच्या जाळीच्या अणूंशी टक्कर होऊन आयन ऊर्जा गमावतात, या अणूंमध्ये ऊर्जा हस्तांतरित करतात. ही हस्तांतरित ऊर्जा अणूंना त्यांच्या जाळीच्या बंधनकारक ऊर्जेतून सोडते, ज्यामुळे ते सब्सट्रेटमध्ये जाऊ शकतात आणि इतर जाळीच्या अणूंशी टक्कर घेतात, त्यांना विस्थापित करतात. ही प्रक्रिया चालू राहते जोपर्यंत कोणत्याही मुक्त अणूंमध्ये इतरांना जाळीतून सोडण्यासाठी पुरेशी ऊर्जा मिळत नाही.

मोठ्या प्रमाणात आयन समाविष्ट असल्यामुळे, आयन रोपणामुळे थर पृष्ठभागाजवळ मोठ्या प्रमाणावर जाळीचे नुकसान होते, इम्प्लांटेशन पॅरामीटर्स जसे की डोस आणि उर्जा यांच्याशी संबंधित नुकसानीच्या प्रमाणात. अति प्रमाणात सेवन केल्याने थराच्या पृष्ठभागाजवळील स्फटिकाची रचना नष्ट होऊ शकते, ज्यामुळे ते आकारहीन होते. हे जाळीचे नुकसान सिंगल-क्रिस्टल स्ट्रक्चरमध्ये दुरुस्त केले जाणे आवश्यक आहे आणि ॲनिलिंग प्रक्रियेदरम्यान डोपंट सक्रिय करणे आवश्यक आहे.

उच्च-तापमान ॲनिलिंगमुळे अणूंना उष्णतेपासून ऊर्जा मिळवता येते, जलद थर्मल गती येते. एकदा ते सर्वात कमी मुक्त उर्जेसह सिंगल-क्रिस्टल जाळीमध्ये पोझिशनवर गेले की ते तिथेच स्थायिक होतात. अशाप्रकारे, सब्सट्रेट इंटरफेसजवळ खराब झालेले अनाकार सिलिकॉन कार्बाइड आणि डोपंट अणू जाळीच्या पोझिशनमध्ये बसवून आणि जाळीच्या ऊर्जेने बद्ध होऊन सिंगल-क्रिस्टल स्ट्रक्चरची पुनर्रचना करतात. ही एकाच वेळी जाळीची दुरुस्ती आणि डोपेंट सक्रियकरण ॲनिलिंग दरम्यान होते.

संशोधनाने SiC मधील डोपेंट्सच्या सक्रियतेचे दर आणि ॲनिलिंग तापमान (आकृती 2a) यांच्यातील संबंधाचा अहवाल दिला आहे. या संदर्भात, एपिटॅक्सियल लेयर आणि सब्सट्रेट दोन्ही n-प्रकारचे आहेत, नायट्रोजन आणि फॉस्फरस 0.4μm खोलीपर्यंत रोपण केले आहेत आणि एकूण डोस 1×10^14 cm^-2 आहे. आकृती 2a मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, 1400°C वर ऍनिलिंग केल्यानंतर नायट्रोजन 10% पेक्षा कमी सक्रियता दर प्रदर्शित करतो, 1600°C वर 90% पर्यंत पोहोचतो. फॉस्फरसचे वर्तन समान आहे, 90% सक्रियकरण दरासाठी 1600 डिग्री सेल्सिअस एनीलिंग तापमान आवश्यक आहे.

▲आकृती 2a. SiC मधील विविध एनीलिंग तापमानांवर भिन्न घटकांचे सक्रियकरण दर

पी-टाइप आयन इम्प्लांटेशन प्रक्रियेसाठी, बोरॉनच्या विसंगत प्रसार प्रभावामुळे ॲल्युमिनियम सामान्यतः डोपंट म्हणून वापरले जाते. एन-टाइप इम्प्लांटेशन प्रमाणेच, 1600 डिग्री सेल्सिअसवर ॲनिलिंग केल्याने ॲल्युमिनियमचा सक्रियता दर लक्षणीयरीत्या वाढतो. तथापि, नेगोरो एट अल यांचे संशोधन. असे आढळले की 500°C वरही, शीटचा प्रतिकार 3000Ω/चौरस येथे उच्च-डोस ॲल्युमिनियम इम्प्लांटेशनसह संपृक्ततेपर्यंत पोहोचला आणि डोस वाढवल्याने प्रतिकार कमी झाला नाही, हे सूचित करते की ॲल्युमिनियम यापुढे आयनीकरण होत नाही. अशा प्रकारे, जास्त प्रमाणात डोप केलेले पी-प्रकार क्षेत्र तयार करण्यासाठी आयन रोपण वापरणे हे एक तांत्रिक आव्हान आहे.

▲आकृती 2b. सक्रियकरण दर आणि SiC मधील भिन्न घटकांचे डोस यांच्यातील संबंध

डोपंट्सची खोली आणि एकाग्रता हे आयन इम्प्लांटेशनमधील गंभीर घटक आहेत, जे थेट उपकरणाच्या त्यानंतरच्या विद्युत कार्यक्षमतेवर परिणाम करतात आणि ते काटेकोरपणे नियंत्रित केले जाणे आवश्यक आहे. दुय्यम आयन मास स्पेक्ट्रोमेट्री (SIMS) चा उपयोग डोपेंट्सच्या इम्प्लांटेशन नंतरची खोली आणि एकाग्रता मोजण्यासाठी केला जाऊ शकतो.**